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Almacenamiento y fiabilidad

Almacenamiento y fiabilidadArquitectura de Computadores

J. Daniel García Sánchez (coordinador)David Expósito Singh

Javier García BlasÓscar Pérez Alonso

J. Manuel Pérez Lobato

Grupo ARCOSDepartamento de Informática

Universidad Carlos III de Madrid

cbed – Arquitectura de Computadores – Grupo ARCOS – http://www.arcos.inf.uc3m.es 1/41

http://www.arcos.inf.uc3m.es


Almacenamiento

1 Almacenamiento

2 Fiabilidad y disponibilidad

3 RAID

4 Conclusión




Almacenamiento

Discos magnéticos

Elevada capacidad de almacenamiento (cientos de GB).

Giran a velocidad angular constante.

Tiempo de acceso a un flujo de datos:T = posicionamiento en pista + latencia de rotación.Depende de la secuencia de acceso a los flujos.




Almacenamiento

Densidad

Bits almacenados a lo largo de la pista (BPI)Número de pistas por superficie (TPI)El diseño de los discos apunta a incrementar la densidadde bits almacenados por area (Areal Density)Areal Density = BPI x TPI

Año Densidad1973 21979 81989 631997 3,0902000 17,1002006 130,000




Almacenamiento

Perspectiva histórica

1956 IBM Ramac — primeros de los ‘70 Winchester.Desarrollado para computadores centrales.Interfaces propietarias.Constante reducción de tamaño: 27 pulgadas a 14pulgadas.

1970s.5.25 pulgadas.Emergen la industria de interfaces estándard dealmacenamiento.

Primeros 1980s: PCS y primeras generaciones decomputadores domésticos.




Almacenamiento

Perspectiva histórica

Mediados 1980s: computación cliente/servidor.Almacenamiento centralizado en servidores de ficheros.Aceleración de la miniaturización: 8 pulgadas a 5.25.Producción en masa de unidades de disco en el mercado.Estandards: SCSI, IPI, IDE.5.25 pulgadas a 3.5 pulgadas para PCs.

1900s: Ordenadores portátiles => 2.5 pulgadas.2000s: ¿Qué nuevos dispositivos que conducen a nuevasunidades?

1.8 pulgadas: iPods, reproductores MP3.1 pulgada IBM’s microdrive.0.85 pulgada (Toshiba) teléfonos móviles.




Almacenamiento

Illiac IV

Universidad de Illinois(1974)

30,000,000$.Memoria estado sólido.Memoria con láser.Más rápido del mundohasta 1981.Cálculos numéricos parala NASA.




Almacenamiento

Capacidad del disco y rendimiento

Aumento continuo en capacidad (60%/año) y ancho debanda (40%/año).Lenta mejora de la rotación del disco (8%/año).Tiempo para leer todo el disco.

Año Secuencialmente Aleatoriamente(1 sector/búsqueda)

1990 4 min. 6 horas2000 12 min. 1 semana2006 (SCSI) 56 min. 3 semanas2006 (SATA) 171 min. 7 semanas




Fiabilidad y disponibilidad

1 Almacenamiento


3 RAID

4 Conclusión





Fiabilidad

2 Fiabilidad y disponibilidadFiabilidadDisponibilidad





Fiabilidad

Fiabilidad

El tiempo de vida de un sistema se representa medianteuna variable aleatoria X .Se define la fiabilidad del sistema como una función R(t)

R(t) = P(X > t) : R(0) = 1yR(inf) = 0 (1)





Fiabilidad

Fiabilidad y fallos

A partir del estudio de los fallos de los componentes seobtiene la fiabilidad.

http://www.jmcprl.net/ntps/@datos/ntp_418.htm.


http://www.jmcprl.net/ntps/@datos/ntp_418.htm




Fiabilidad

Distribuciones de fiabilidad

Ejemplos de distribuciones utilizadas para fiabilidad:http://www.relexsoftware.com/resources/art/art_

distrib.asp.

Exponencial:Si la tasa de errores es constante (generalmente verdaderopara componentes electrónicos), la fiabilidad sigue unaexponencial.


http://www.relexsoftware.com/resources/art/art_distrib.asp

http://www.relexsoftware.com/resources/art/art_distrib.asp




Fiabilidad

Distribuciones de fiabilidad

Weibull:Vida característica η (tiempo en el que el 63.2% depoblación falla) y factor de forma β

Asociado a la tasa de error, siendo b=1→ tasa de errorconstante.





Fiabilidad

Sistemas serie

Sea Ri(t) la fiabilidad del componente i.El sistema falla cuando algún componente falla.

R1(t) R2(t) R3(t) R4(t)

Si los fallos son independientes entonces:

R(t) =N∏

i=1

Ri(t)

La fiabilidad del sistema es menor.R(t) < Ri(t)∀i





Fiabilidad

Sistema paralelo

El sistema falla cuando todos los componentes fallan.

R(t) = 1−N∏

i=1

Qi(t) : Qi(t) = 1− Ri(t)

R1(t)

R2(t)

R3(t)





Fiabilidad

Ejemplo

Para t = 100 Ri (t) = 0.9

R1(t) R2(t) R3(t) R1(t)

R2(t)

R3(t)

R(t) = 0.9·0.9·0.9 = 0.729 R(t) = 1−(1−0.9)3 = 0.999





Disponibilidad

2 Fiabilidad y disponibilidadFiabilidadDisponibilidad





Disponibilidad

Disponibilidad

En muchos casos es más interesantes conocer ladisponibilidad.Se define la disponibilidad de un sistema A(t) como laprobabilidad de que el sistema esté funcionandocorrectamente en el instante t .

La fiabilidad considera el intervalo [0, t ].La disponibilidad considera un instante concreto de tiempo.

Un sistema se modela según el siguiente diagrama deestados.

Funcionando Parado

Avería/caída

Acierto lectura





Disponibilidad

Medida de la disponibilidad

Sea TMF el tiempo medio hasta el fallo.Sea TMR el tiempo medio de reparación.Se define la disponibilidad A de un sistema como:

A =TMF

TMF + TMR

¿Qué significa una disponibilidad del 99%?En 365 días funciona correctamente 99·365

100 = 361.35 días.Está sin servicio 3.65 días.





Disponibilidad

Tiempo anual sin servicio

Disponibilidad (%) Dias sin servicio al año98% 7.3 días99% 3.65 días99.8% 17 horas y 30 minutos99.9% 8 horas y 45 minutos99.99% 52 minutos y 30 segundos99.999% 5 minutos y 15 segundos99.9999% 31.5 segundos





Disponibilidad

Cálculo de la disponibilidad

Disponibilidad de los elementos:HW: 99.99%Disco: 99.9%SO: 99.99%Aplicación: 99.9%Comunicación 99.9%

Disponibilidad del sistema:Producto de las disponibilidades de los elementos.

A(t) =N∏

i=1

Ai(t) = 99.6804⇒ 1.17días sin servicio





Disponibilidad

Sectores que sufren más interrupciones

Sector ProcentajeBanca y finanzas 26%Gobierno, administraciones 19.1%públicas e institucionesEducación 11.3%Industria 10.9%Servicios 9.5%Comunicaciones 8.2%





Disponibilidad

Coste de la hora de parada

Coste PorcentajeHasta 50,000$ 46%50,000$ – 100,000$ 15%100,000$ – 250,000$ 13%250,000$ – 500,000$ 9%500,000$ – 1,000,000$ 9%1,000,000$ – 5,000,000$ 4%Más de 5,000,000$ 4%




RAID

1 Almacenamiento


3 RAID

4 Conclusión




RAID

¿Cómo hacer frente a los fallos?

Problemas en los discos:Fallo en el propio disco.Fallo en el controlador del disco.Fallo en un bloque (sectores dañados).Fallos transitorios.

Uso de un sistema redundante de almacenamiento:Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks.Propuesto por primera vez en 1998 por David A. Patterson,Garth A. Gibson y Randy H. Katz.“Un Caso para Conjuntos de Discos RedundantesEconómicos (RAID)”




RAID

Discos RAID

Varios tipos de RAID:

Niveles básicos:RAID 0: distribución de bloques (stripping) sin tolerancia afallosRAID 1: discos espejos (mirroring)RAID 2: entrelazados a nivel de bit con HammingRAID 3: entrelazados de bits con información redundante(paridad)RAID 4: distribución de bloques con disco de paridadRAID 5: distribución de bloques con paridad distribuida

Combinaciones:RAID 10: Stripping y mirroring (RAID 0 y 1)RAID 51: Combinación de RAID 5 y RAID 1. . .




RAID

RAID 0 (striping)

Tolerancia a fallos:No ofrece tolerancia afallos.

Rendimiento:Mayor ancho de bandaen operaciones delectura/escritura.

Capacidad:La suma.




RAID

RAID 1 (mirroring)

Tolerancia a fallos:1 fallo.

Rendimiento:Mayor ancho de bandaen operaciones delectura.

Capacidad:50% del total.




RAID

RAID 2

Detección de fallo.Uso de código Hamming.Stripping a nivel de bit.Implementación muycostosa.No se suele usar.




RAID

RAID 3

RAID 3 (striping withdedicated parity, bit level.Stripping a nivel de byte.Paridad de bytes escritosTolerancia a 1 fallo.Uso de redundancia anivel de byte.Mejora ancho de banda:Acceso paralelo a unbloque.Disco de paridad es cuellode botella.




RAID

RAID 4

RAID 4 (striping withdedicated parity.Stripping a nivel de bloque.Tolerancia a fallos: 1 falloRendimiento:

Costoso en escrituras(paridad).Disco de paridad escuello de botella.

Capacidad: 100·(n−1)n %




RAID

RAID 3 frente RAID 4

RAID 3: Cada byte en un disco.RAID 4: Cada bloque en un disco.




RAID

RAID 5

RAID 5 (striping withdistributed parity.Stripping a nivel de bloque.Stripping de la paridad.La paridad no está en eldisco que tiene los bloquesasociados.Tolerancia a fallos: 1 falloNo existe cuello de botellaen acceso a paridad.

Capacidad: 100·(n−1)n %




RAID

RAID 6

RAID 6 (striping with distributed redundant parity.Stripping a nivel de bloqueStripping de la paridadLa paridad está replicada por partida dobleLa paridad no está en el disco que tiene los bloquesasociados.Tolerancia a fallos: 2 fallosNo existe cuello de botella en acceso a paridad.




RAID

Lecturas en RAID 4-5

Si el disco funciona:Se lee del disco correspondiente.

Si el disco no funciona:Leer los bloques de los otros discos y el de paridad ycalcular el nuevo bloque.




RAID

Escrituras en RAID 4-5

Si el disco funciona:Escribir el bloque y la nueva paridad. Para ello:

1 Se lee el bloque antiguo BA y el de paridad PA2 La nueva paridad será: PN = (BA⊕ BN)⊕ PA3 Escribir el nuevo bloque BN y el de paridad PN

Si el disco no funciona:Se actualiza el bloque o paridad en disco que funcione

Cuando un disco falla se sustituye y se reconstruye lainformación del mismo.




Conclusión

1 Almacenamiento


3 RAID

4 Conclusión




Conclusión

Resumen

La fiabilidad modela el tiempo de vida del sistema.Los sistemas paralelos permiten mejorar la fiabilidad delsistema mientras que los sistemas en serie empeoran lafiabilidad del sistema.La disponibilidad modela la probabilidad de fallo en uninstante.Los sistemas RAID permiten mejorar el rendimiento y lafiabilidad de los sistemas de almacenamiento.




Conclusión

Referencias

Computer Architecture. A Quantitative Approach5th Ed.Hennessy and Patterson.Secciones D.1, D.2, D.3, D.4.




Conclusión

Almacenamiento y fiabilidadArquitectura de Computadores

J. Daniel García Sánchez (coordinador)David Expósito Singh

Javier García BlasÓscar Pérez Alonso

J. Manuel Pérez Lobato

Grupo ARCOSDepartamento de Informática

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